地铁供电系统.docx

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地铁供电系统

地铁供电系统

第一节　概述

一、地铁供电方式

地铁的供电电源要求安全可靠，通常由城市电网供给。

目前，国内各城市对地铁及城市轨道交通的供电一般有三种方式，即分散供电方式、集中供电方式、分散与集中相结合的混合供电方式。

分散供电方式是指沿地铁线路的城市电网（通常是10KV电压等级）分别向各沿线的地铁牵引变电所和降压变电所供电。

其前提条件是城市电网在地铁沿线有足够的变电站和备用容量，并能满足地铁牵引供电的可靠性要求。

如早期的北京地铁采取的就是这种供电方式。

集中供电方式是指城市电网（通常是110KV或66KV电压等级）向地铁的专用主变电所供电，主变电所再向地铁的牵引变电所和降压变电所供电，地铁自身组成完整的供电网络系统。

近几年新建的地铁系统多采用集中供电方式，如上海、广州、深圳地铁等。

分散与集中相结合的供电方式是上述两种供电方式的结合，可充分利用城市电网的资源，节约投资，但供电可靠性不如集中供电方式，管理亦不够方便。

集中和分散两种不同供电方式的比较如表1-3-1所示，分散与集中相结合的供电方式优缺点介于两者之间。

表1-3-1　地铁供电方式的比较

供电方式

优　　　点

缺　　　点

集中供电方式

l供电可靠性高，受外界因素影响较小；

l主变电所采用110/35KV有载自动调压变压器，并有专用供电回路，供电质量好；

l地铁供电可独立进行调度和运营管理；

检修维护工作相对独立方便；

l可提高地铁供电的可靠性和灵活性；

l牵引整流负荷对城市电网的影响小；

l只涉及城市电网几个220KV变电站的增容改造，工程量较小，相对易于实现。

l投资较大。

分散供电方式

l投资较小；

l便于城市电网进行统一规划和管理。

l因同时受110KV和10KV电网故障影响，故受外界因素影响较多；

l10KV电网直接向一般用户供电，引起的故障几率大，可靠性较低；

l与城市电网的接口多，调度和运营管理环节增多，故障状态下的转电不方便；

l牵引整流机组产生的高次谐波直接进入10KV电网对其他用户的影响较大；

l要求城市电网的变电所应具有足够的备用容量，以满足地铁牵引供电的要求；涉及较多110KV变电站的增容改造，工程量较大。

对于某一城市究竟应采用哪种供电方式，需要根据地铁和城轨交通用电负荷并结合该城市电网的具体情况进行分析。

若该城市的电力资源缺乏，变电站较少，采用分散供电方式时由于需要新建多个地区变电站而使投资增大，在此情况下采用集中供电方式就比较合适。

该供电方式具有管理方便、供电可靠性相对较高等优点。

若城市的电力资源较丰富，沿地铁和城轨交通线路的地区变电站较多且容量也足够给地铁和城轨交通供电，则采用分散供电方式可节约建设资金。

当城市电网的情况介于上述两种情况之间时，可考虑采用分散与集中相结合的供电方式。

由于我国目前大多数地铁和城轨交通均采用集中供电方式，故本文将以集中供电方式为主介绍地铁的供电系统和设备。

二、中压供电网络的电压等级

国外地铁和城市轨道交通的中压供电网络一般有33KV、20KV、10KV三个电压等级。

国内现有地铁和城市轨道交通的中压供电网络有35KV、33KV、10KV电压等级。

北京和天津的地铁和城市轨道交通的中压供电网络采用了10KV电压等级；上海地铁１号线的中压供电网络中牵引供电网络采用33KV电压等级、动力照明供电网络采用10KV电压等级；广州地铁１号线的中压供电网络采用了33KV电压等级；深圳地铁1、4号线和南京地铁南北线的中压供电网络均采用35KV电压等级。

我国电力系统并未推荐过使用33KV电压等级，上海、广州地铁采用此电压等级有其特殊历史原因。

其他城市很少采用。

不同电压等级的中压供电网络有不同的特点：

（1）35KV中压供电网络：

输电距离和容量大、电能损失小、设备可实现国产化，但设备相对体积大、产品价格高、国内无环网开关柜。

目前国内城市配电网拟取消35KV电压等级，但国内地铁和城市轨道交通的中压供电系统仍在使用。

（2）20KV中压供电网络：

输电距离和容量适中、电能损失较小、设备可完全实现国产化、设备体积小、产品价格适中、国内有环网开关柜。

国外地铁和城市轨道交通大量采用，但国内地铁和城市轨道交通尚未使用此电压等级。

（3）10KV中压供电网络：

输电距离和容量小、电能损失大、设备可完全实现国产化、设备体积小、产品价格低、国内有环网开关柜。

国内城市配电网大量使用，部分国内地铁和城市轨道交通也使用此电压等级。

表1-3-2　不同电压等级的中压供电网络的比较

序号

项　　目

35KV

20KV

10KV

1

输电容量

大

中

小

2

输电距离

大

中

小

3

电能损耗

小

较小

大

4

设备价格

高

中

低

5

设备国产化

国产

国产

国产

6

设备体积及占地面积

大

中

小

7

国内生产环网柜

无

有

有

8

国内城市电网应用

拟取消

有，很少

广泛应用

9

国内地铁及城轨应用

有

无

有

10

适用标准

国家标准

国际标准

国家、国际标准

中压供电网络既可采用牵引和动力照明同用一个供电网络的方案，即牵引动力照明混合网络；也可以采用牵引和动力照明供电网络相对独立的两个供电网络方案，即牵引供电网络、动力照明供电网络。

由于电费在地铁和城轨交通的运营成本中占很大比例，从长远的角度考虑，中压供电网络宜选择较高的电压等级，亦即35KV或20KV为优选方案。

三、地铁供电系统的组成

地铁供电电源通常取自城市电网，通过城市电网一次电力系统和地铁供电系统实现输送或变换，然后以适当的电压等级供给地铁各类设备。

根据用电性质的不同，地铁供电系统可分为两部分：

由牵引变电所为主组成的牵引供电系统和以降压变电所为主组成的动力照明供电系统。

牵引供电系统主要由主变电所、牵引变电所、接触网、电力监控、供电缆网等组成。

提供地铁车辆的牵引动力电源。

动力照明供电系统主要由降压变电所、低压母线排、配电设备、线缆、用电设备等组成。

提供地铁机电设备动力电源和照明电源。

此外，还应设置地铁应急电源系统，如小型发电机、ＥＰＳ电源、ＵＰＳ电源等。

四、牵引供电系统的制式

　　城市轨道交通和地铁的牵引供电系统通常均采用较低电压的直流供电制式，主要原因是：

（1）由于直流制供电无电抗压降，因而比交流制供电的电压损失小；

（2）电网的供电范围（距离）、电动车辆的功率都不大，均不需太高的供电电压；

（3）城市轨道交通和地铁的供电线路都处在城市建筑群之间，供电电压不宜过高，以确保安全；

（4）直流制供电的对象，即早期使用的直流牵引电动机和近期采用的变频调速异步牵引电动机均具有良好的起动和调速特性，可充分满足电动车辆牵引特性的要求。

　　基于上述原因，世界各国城市轨道交通的供电电压均在550～1500V之间，其中间档级很多，这是由各种不同交通形式、不同发展历史时期造成的。

现国际电工委员会拟定的电压标准为：

600V、750V、1500V三种，后两种电压为推荐值。

我国国标亦规定为750V和1500V，不推荐600V电压等级。

　　我国北京地铁采用的是750V直流供电电压，上海地铁、广州地铁、深圳地铁等均采用的是1500V直流供电电压。

究竞应选择哪种电压等级，这涉及供电系统的技术经济指标、供电质量、运输的客流密度、供电距离、车辆的选型等。

必须根据各城市的具体条件和要求，通过综合技术论证后决定。

　　近年来，由于交流变频调速技术的发展，车辆的牵引电动机已逐步采用结构简单、运行可靠、价格低廉的鼠笼式交流异步电动机替代原先的直流电动机。

在城市轨道交通中采用交流变频调速异步牵引电动机是一项新技术，也是牵引动力的发展方向，具有非常广阔的发展前景。

通常采用的“交－直－交”（AC-DC-AC）变频调速方式，尽管在电动车辆上采用的是交流异步电动机，但其接触网架线供电电压还是直流的。

从供电的角度分析，仍然还可认为是属于直流供电制式的扩大运用范畴。

第二节　牵引供电系统

一、牵引供电系统的组成

　　图1-3-1表示地铁和城轨交通牵引供电系统的各组成部分的示意图。

发电厂

升压　变压器

升压　　变压器

发电厂

主变电所（降压）

牵引变电所

整流装置

车　辆

电力网

馈电线

接触网

回流线

轨 道

车　辆

接触网

图1-3-1　牵引供电系统示意图

　　图中，从发电厂（站）经升压变压器、高压输电网、区域变电站至主变电所，通常被称为“一次（外部）供电系统”。

主变电所可以由电力系统部门直接管理（如采用分散式供电的情况），也可归属于地铁或城市轨道交通单位管理（如采用集中式供电的情况）。

　　主变电所（属于地铁或城市轨道交通单位管理时）、牵引变电所、整流装置、馈电线路、接触网、走行轨道、回流线等统称为“牵引供电系统”。

城市电网的三相高压交流电110KV（或220KV）经主变电所降低为10～35KV作为牵引变电所的进线电压。

牵引变电所再将10～35KV电压变成适合电动车辆应用的低压直流电。

馈电线将牵引变电所的直流电输送到沿车辆走行轨架设的接触网（或接触轨）上。

电动车辆通过其受流器与接触网（或接触轨）的直接接触而获得电能。

走行轨道构成牵引供电回路的一个组成部分，回流线将轨道回流返回牵引变电所。

二、主变电所

1、概述

　　地铁主变电所将城市电网的高压110KV（或220KV）电能降压后以35KV或10KV的电压等级分别供给牵引变电所和降压变电所。

为保证供电的可靠性，地铁线路通常设置两座或两座以上主变电所。

主变电所由两路独立的电源进线供电，内部设置2台相同的主变压器。

根据牵引负荷和动力负荷的不同情况，主变压器可采用三相三绕组的有载调压变压器或双绕组的变压器。

采用有载调压变压器在电源进线电压波动时二次侧电压维持在正常值范围内。

　　主变电所为地铁线路的总变电所，承担整条地铁线路的电力负荷的用电。

（1）可根据负荷计算确定在地铁线路上设置的主变电所数量。

（2）每座主变电所设置２台主变压器，由城市电网地区变电站引入两路独立的110KV专用线路供电，两回路同时运行，互为备用，以保证供电的可靠性和供电质量。

进线电源容量应满足远期时其供电区域内正常运行及故障运行情况下的供电要求。

（3）低压35KV侧采用单母线分段接线，两段母线间设母联断路器，正常运行时母联断路器打开。

（4）正常运行时每座主变电所的两路110KV电源和２台主变压器分列运行。

通过35KV馈出电缆分别向各自供电区域的负荷和动力照明负荷供电。

2、主变电所的主要设备

（一）主变压器

　　高压侧电压为110KV，低压侧电压为35KV（或10KV）。

　　主变压器容量应能满足正常运行时，每台变压器容量承担其所供区域内的全部牵引负荷和动力照明的供电。

当发生故障时，应满足如下条件：

（1）当一台主变压器发生故障时，另一台主变压器应能满足该供电区域高峰小时牵引负荷和动力及照明一、二级负荷的供电。

（2）当一座变电所因故解列时，剩余主变电所应能承担全线的动力和照明一、二级负荷及牵引负荷。

　　主变压器容量的选择应考虑近期实际负荷和远期发展的需求。

单台容量大约在20MVA～40MVA范围，主要考虑相邻变电所故障解列时应满足向该段牵引负荷越区供电的要求。

（二）110KVGIS组合电器

　　主变电所采用110KV全封闭六氟化硫组合电器设备，SF6气体绝缘的金属封闭开关设备,简称GIS（GasInsuLatedmetaL-encLosedSwitchgear）。

GIS是由各种开关电器：

断路器GCB、隔离开关DS、接地开关ES、母线、现地汇控柜LCP以及电流互感器CT、电压互感器VT和避雷器LA等组成的电力设备,具有结构紧凑、抗污染能力强、运行安全、外型美观、设备占用空间小等特点。

主要技术规格如下：

（1）额定电压：

110KV

（2）最高工作电压：

126KV

（3）额定绝缘水平：

Ø 额定雷电冲击耐受电压（峰值）：

相对地　650KV

断　口　650+100KV（隔离开关）

断　口　650KV（断路器）

Ø 额定1分钟工频耐受电压（有效值）：

耐受电压　275KV

断　口　315KV（隔离开关）

断　口　275KV（断路器）

（4）SF6气体零表压时耐受电压（相对地）：

1.3*126√3KV（5min）

（5）局部放电量（1.1倍相电压下）

Ø 气隔绝缘子：

小于3PC

Ø 整体GIS：

小于10PC

（6）额定电流：

2000A

（7）额定热稳定电流及持续时间：

40KA/3S

（8）额定动稳定电流：

100KA

（9）额定频率：

50HZ

（10）相数：

3

（11）断路器操动机构和辅助回路的额定电压：

直流220V

（三）主变电所二次设备

（1）主变压器保护

Ø SR745数字式变压器管理继电器，用于变压器保护、控制、接口、测量和监测。

可实现以下功能：

l 主变内部故障时的纵差保护，保护动作跳主变两侧；

l SR745低压侧过流元件和MIV电压继电器配合，组成低压侧复合过流，依次跳本侧及主变两侧；

l 按负荷起动风扇回路；

l 联跳电容器回路；

l 用于2＃主变时，作主变及线路的纵差保护，动作跳主变两侧。

Ø MIF数字式馈线管理继电器（装于110KV侧），用于主变压器保护、接口、测量和监测。

可实现以下功能：

l 同MIV电压继电器共同组成110KV复合电压过流保护，第一时限跳本侧，第二时限跳两侧；

l 同MIV电压继电器共同组成110KV零序过流方向保护，第一时限跳本侧，第二时限跳两侧；

l 监视零序，保护动作经0.3～0.5S跳主变两侧；

l 过负荷保护，发信号及闭锁有载调压开关。

Ø MIV电压继电器，共2台：

l 一台装于110KV侧，实现：

同MIF共同组成复合电压过流保护，第一时限跳本侧，第二时限跳两侧；同MIF共同组成零序过流方向保护，第一时限跳本侧，第二时限跳两侧；零序过压保护保护动作经0.3～0.5S跳主变两侧。

l 另一台装于35KV侧，实现：

利用SR745的过流保护功能共同组成复合电压过流保护，依次跳本侧及主变两侧。

（2）线路保护

配置L90线路差动继电器，实现线路保护要求。

L90光纤纵差保护用于跳闸输出的Ａ型继电器动作时间小于4ms,用于信号输出的快速Ｃ型继电器动作时间小于0.6ms。

L90与电力监控系统的接口采用数字通讯方式，实现控制、监视、测量和保护动作信号的数据交换。

L90光纤纵差保护的3个通讯口，可以独立或同时运行。

L90具备完善的在线自检功能，在正常运行时一直进行自检，但不影响任何保护功能，如检出异常则发出告警信号并闭锁保护。

（四）环网电缆（110KV电缆，35KV电缆，1500V直流电缆）

环网电力电缆选用低烟、低卤、低毒、阻燃电缆；敷设于重要场所的电缆则选用无烟、无卤、无毒、阻燃电缆。

（1）敷设条件：

布置于隧道（或地面）及变电所内电缆支架上或敷设于地面电缆沟槽的电缆支架上，可敷设于可能短时积水的电缆沟内。

（2）材料要求：

l 电缆应具有低烟、低卤、阻燃等特性，部分电缆还应同时考虑防水、防紫外线要求。

l 电缆的防水、防潮性能应满足：

电缆样品在水中浸泡72小时后，去除绝缘层外面的复合层后，用肉眼观察，绝缘层外表面应是干燥的。

l 电缆燃烧时的阻燃性能、低烟或无烟、无毒性能应满足相关规定的技术要求。

l 电缆具有防白蚁性能，按照GB/T2952.38《电线电缆白蚁试验方法》中击倒法的规定进行测试，测试结果要求为：

KT50应不大于250分钟。

l 电缆的绝缘电阻应满足GB12706-1991的规定。

交联聚乙烯绝缘在最高额定温度下，绝缘电阻常数Ki应不小于3.67MΩ·km。

（3）电缆敷设要求

地铁电缆种类多、数量大、敷设空间条件恶劣。

电缆敷设是否达到要求，不仅影响供电系统的可靠性，而且还影响故障发生率和事故范围。

l 上下行环网电缆分别敷设在线路两侧，电缆支架上的电缆按电压等级由高到低分层敷设以减少相互间的干扰，特别是电力电缆与弱电电缆应保持>0.5米的间距要求。

l 变电所电气设备多、相互间连线密集，因此应在设备室下设置电缆夹层以便于电缆敷设。

电缆夹层设置进人孔，其位置和数量应满足电缆敷设和后期运营维护的要求。

l 在车辆段、停车场内，电缆采用在电缆沟内敷设方式，由于车辆段、停车场的管线多，设置电缆沟要注意与其他管线的协调。

l 在电缆敷设施工完成后，应严格封堵预留管、孔、洞，减少小动物进入设备房造成事故的可能及控制火灾漫沿范围。

三、主变电所向牵引变电所供电的接线方式

　　供电系统的安全性、可靠性是地铁正常运行的重要保证。

为此，牵引变电所均由两个独立的电源供电，考虑到地铁线路分布范围广，通常需要在沿线设置多个牵引变电所。

向牵引变电所供电的接线方式有多种方式，现归纳成以下几种典型形式：

1、环形供电接线方式

主变电所1

主变电所2

牵引变电所

牵引变电所

牵引变电所

牵引变电所

地铁轨道

图1-3-3　环形供电接线图

优点：

供电线路工作可靠。

如果一个主变电所或一路输电线发生故障，均不导致中断牵引变电所的工作。

缺点：

投资较大。

2、双边供电接线方式

主变电所1

牵引变电所1

牵引变电所2

牵引变电所3

牵引变电所4

主变电所2

地铁轨道

图1-3-4　双边供电接线图

优点：

双路供电线路，每路均按输送功率计算，工作可靠。

缺点：

投资较大。

3、单边供电接线方式

主变电所

牵引变电所1

牵引变电所2

牵引变电所3

牵引变电所4

地铁轨道

图1-3-5　单边供电接线图

优点：

设备相对较少，投资小。

缺点：

单边供电的可靠性不如环行供电和双边供电方式。

为提高可靠性，仍应采用双路输电线供电。

4、幅射形供电接线方式

牵引变电所1

地铁轨道

主　变　电　所

牵引变电所2

牵引变电所3

图1-3-6　幅射形供电接线图

优点：

接线简单，投资小。

缺点：

若主变电所发生故障，则将全线路停电。

实际应用时通常都是上述某些典型接线方式的综合，变配电接线图的设计选择原则是：

当供电系统中的某一个元件发生故障或损坏时，它应能自动解列而不致破坏牵引供电。

四、牵引变电所

1、概述

牵引变电所将地铁主变电所（或城市电网区域变电所）送来的35KV电能经过降压和整流变成车辆牵引所要求的直流电能。

牵引变电所的容量和设置的距离是根据牵引供电计算的结果，并经过经济技术分析比较后所决定的。

变电所的间隔一般为2～3Km,牵引变电所按其所需的总容量设置２组整流机组并列运行。

沿线任一牵引变电所故障，则由两侧相邻的牵引变电所承担其供电任务。

2、牵引变电所的主要设备

（一）牵引整流机组－整流变压器与整流器

单台变压器为六相12脉波整流变压器，两台变压器并联运行构成等效24脉波整流变压器。

整流变压器的设计应与整流器相匹配，构成牵引整流机组。

地铁采用两套12脉波整流机组匹配构成一套AC35KV/DC1500V等效24脉波整流机组。

单机组12脉波整流电路由两个三相全波整桥并联组成。

每台整流变压器的二次绕组有一个星形绕组和一个三角形绕组，分别向两个三相整流桥供电。

因为整流变压器二次侧星形绕组和三角形绕组相对应的线电压相位错开30°，于是可以得到两个三相整流桥并联组成的12脉波整流电路。

当供给两台12脉波整流器的整流变压器高压网侧并联的绕组分别采用±7.5°外延三角形联接时，两套整流器并联运行即可构成24脉波整流。

图1-3-8是12脉波电路及其矢量图。

图1-3-8　12脉波整流电路及其矢量图

a

（1）电路特点：

l 各整流桥按顺序相互不干扰，当不考虑重叠角时各桥臂整流管的导电时间为   ，输出直流电流为二个并联桥整流电流之和。

l 各绕组线电压相位错开  ，直流输出电压波顶在时间上重合，也错开　　，因此总的直流输出电压便有12相脉波。

　考虑到牵引负荷的特殊性，整流变压器与整流器应具有相应的过载能力，其过载能力应符合GB3859Ⅵ类负荷标准。

（2）整流器技术参数及性能特点：

l 额定频率：

50HZ

l 额定交流电压：

1180V

l 直流标称电压：

1500V

l 直流最高电压：

1800V

l 额定电流1467A（2200kW）／2300A（3450kW）

l 直流空载电压≤1670V

l 整流器负荷性质：

反电动势、再生

l 整流器负荷类型：

Ⅵ级（GB3859）

100%额定负荷----连续；

150%额定负荷----2小时；

300%额定负荷----1分钟。

l 整流器耐压

工频耐压：

整流器主回路对地、对辅助回路：

5kV/1min

辅助回路和主回路应电气隔离，并能承受2kV/1min

冲击电压：

12kV（标准冲击波1.2/50μS）。

l 整流器承受短路电流能力如表1-3-3：

单台整流器应能承受由于直流侧短路而产生的短路电流的冲击。

表1-3-3　整流器承受短路电流能力

整流器功率（kW）

2200

3450

短路电流（kA，2s）

25

40

l 整流器额定功率损耗。

表1-3-4　整流器额定功率损耗

整流器功率（kW）

2200

3450

短路损耗（kW）

≤5

≤8

（二）35KV交流开关柜

35KV交流开关柜采用六氟化硫SF6气体绝缘开关柜，断路器采用真空断路器。

（1）主要技术参数如下：

l 额定电压：

35KV

l 额定电流：

1250A

l 动稳定电流（峰值）：

63KA

l 热稳定电流（3S）：

25KA

（2）额定绝缘水平：

l 对地、相间及普通断口工频耐压值：

85KV

l 隔离断口间的绝缘工频耐压值：

95KV

l 对地、相间及普通断口冲击耐压值（峰值）：

185KV

l 隔离断口间的绝缘冲击耐压值（峰值）：

215KV

l 额定短路开断电流：

25KA

l 额定关合电流（峰值）：

63KA

l 分、合闸机构和辅助回路的额定电压：

DC220V

（三）1500V直流开关柜

直流开关柜采用户内式。

直流进线柜及直流馈电柜采用手车式直流快速开关，负极柜开关为手动隔离开关。

主要技术参数如下：

l 额定电压：

1500V

l 最高工作电压：

1800V

l 额定电流：

3150A、4000A

4、继电保护与测控装置

微机继电保护装置采用多功能测控保护单元，并采用多CPU结构方式，以实现监控、保护、通信等功能。

（1）微机继电保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性、速动性的要求。

（2）35KV交流开关柜（XZ2型）采用REF542+和REL551智能控制/保护单元。

与电力监控系统（变电所综合自动化系统监控网络）的接口采用数字通信方式，使用光纤接口或RS485接口，实现控制、监视、测量、保护动作信号的数据交换，并可实现保护定值的修改和切换。

通信规约应满足电力通信系统的通信接口要求，对前置机的通信响应时间不大于１秒。

（3）各种微机型继电保护装置都应配置时钟元件，并与变电所综合自动化系统实现时钟同步对时。

所有输出的信息都带有时标（ms级）并能上传。

（4）各种微机型继电保护装置的软硬件都应采取必要的抗干扰措施，实现高抗干扰性。

（5）应具有在线自检功能，同时监测硬件和软件，当检测到内部故障即发出报警信号。

（6）各种微机型继电保护装置都应具有可靠的硬件闭锁功能，以保证在任何情况下不误动，只有在保护区内发生故障，才允许开放跳闸回路。

（7）各种微机型继电保护装置都应具有自复位电路，因干扰而造成的“死机”